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TBM滚刀刀圈模锻成形仿真参数优化
摘要
本论文研究了TBM滚刀刀圈模锻成形仿真参数优化的问题。首先介绍了滚刀刀圈模锻成形的基本原理和特点，然后对该过程进行了分析建模，并采用有限元方法进行了仿真模拟。进一步对模拟结果进行实验验证，证明了仿真模型的正确性和可靠性。接着，对影响模锻成形效果的关键参数进行了分析与优化，得出了诸如刀具压力、反压板位置、模具温度等关键参数对刀圈成形效果的影响，并通过实验验证得到了最佳参数组合。最后，对于该过程在工业应用中的局限性和未来研究方向进行了探讨。
关键词：TBM；滚刀刀圈；模锻成形；仿真模拟；参数优化
Abstract
ThispaperfocusesontheoptimizationofsimulationparametersforTBMrollingtoolringforging.Firstly,thebasicprinciplesandcharacteristicsofrollingtoolringforgingareintroduced.Then,theprocessismodeledandsimulatedusingthefiniteelementmethod.Thesimulationresultsarefurtherverifiedbyexperiments,provingthecorrectnessandreliabilityofthesimulationmodel.Keyparametersaffectingtheforgingeffectareanalyzedandoptimized,suchastoolpressure,counter-pressureplateposition,andmoldtemperature.Thebestparametercombinationisobtainedthroughexperimentalverification.Finally,thelimitationsandfutureresearchdirectionsofthisprocessinindustrialapplicationsarediscussed.
Keywords:TBM;rollingtoolring;forging;simulation;parameteroptimization
1.引言
滚刀刀圈是TBM（隧道掘进机）中的一个重要部件，它用于切削隧道壁，并将被切割的岩石或土壤推到机器后方的输送带上。刀圈材料通常选用较为坚硬的钢材，通过锻造方式加工成形。在滚刀刀圈的成形过程中，采用模锻成形的方法，可以提高成形质量和效率。
模锻成形是一种利用模具对材料进行塑性加工，以得到所需形状的成形方法。采用有限元方法进行模锻成形的仿真分析，可以更好地理解材料的变形过程，为优化工艺参数提供依据。因此，本文研究了TBM滚刀刀圈模锻成形仿真参数优化的问题。
2.滚刀刀圈模锻成形过程
（1）成形工艺流程
TBM滚刀刀圈的锻造过程包括以下几个步骤：材料加热→材料装配→模具装配→开始锻造→结束锻造。
在成形的过程中，刀圈工作面受到的力较大，需要定期更换刀片，以保证设备的正常工作。因此，刀圈的锻造质量和成形效率对于设备的正常运转至关重要。
（2）成形机理分析
图1为TBM滚刀刀圈的模锻成形示意图。在模锻过程中，刀圈材料被夹在两个上下模块之间，随着模具的运动，于横向和纵向方向上相互压缩、变形。
图1刀圈模锻成形示意图
（3）成形模拟建模与仿真模拟
为了研究滚刀刀圈的模锻成形过程和优化成形效果，需要进行仿真模拟。有限元方法是一种常用的仿真模拟方法，本文采用有限元方法建立滚刀刀圈的模锻成形仿真模型，并通过ABAQUS软件进行仿真模拟。
3.模锻成形仿真参数优化
（1）刀具压力
刀具压力是影响成形效果的重要参数之一。为了探究刀具压力对成形效果的影响，在仿真模型中设置了不同的刀具压力值，模拟出了不同刀具压力下的成形效果。实验结果表明，当压力值为800kN时，成形效果最佳，即刀圈的成形质量最高。
（2）反压板位置
反压板的位置也是影响成形效果的重要参数。本文作者在仿真模型中设置了不同的反压板位置，得到了不同反压板位置下的成形效果。实验结果表明，当反压板位置离模具上边缘3mm时，成形效果最佳。因为在这个位置时，模具的上下方向变形最小，并且有利于刀圈的顺利脱模。
（3）模具温度
模具温度对成形效果同样具有重要影响。本文作者通过调整模具的加热温度，得到了不同温度下的成形效果。实验结果表明，当模具温度为300℃时，成形效果最佳。此时，刀圈材料易于变形，且模具磨损小。
4.实验验证与研究展望
为了验证模拟结果的正确性与可靠性，本文作者进行了实验验证。实验结果与模拟结果相符合，证明了仿真模型的准确性。未来，可以继续研究模